在煤礦、水電、金屬礦山、鐵路、公路等地下工程建設中，開鑿豎井和斜井井筒常常是整個工程建設的關(guān)鍵工程之一，其工程量雖然不大，但受水文地質(zhì)等客觀條件影響，施工難度較大，安全程度低，直接影響工程的進度。在秦嶺終南山公路隧道中，為解決隧道的通風問題，共設計了三座運營通風豎井， 1＃豎井采用反井鉆機施工，應用非常成功。在原投標施工組織設計中采用正井法開挖，由于其施工速度慢、不安全、輔助工程多，投入大，不能滿足主洞開挖通風要求和施工進度。為此，在本項目施工中引進先進的反井鉆機施工技術(shù)，快速高效的完成通風豎井任務，僅用35天就完成豎井擴孔。

1 施工準備

1.1 施工輔助生產(chǎn)系統(tǒng)

   施工輔助生產(chǎn)系統(tǒng)主要包括以下幾個方面：供水、供電、通訊與信號、井口臨時設施、鉆機安裝、換接刀孔鉆頭和擴孔鉆頭、鉆機的拆除等工作。

1.2 供水 

   施工用水采用從石砭峪河中安裝高壓水泵抽取，供給到已建高壓水池中，用Φ75㎜鋼管接至距離井口上部10m范圍內(nèi)。流量不小于10m3/h,連續(xù)供應,無間段。

1.3 供電

   在距離豎井中300m的位置已建好的630KVA變壓器,滿足反井鉆機工作電壓380V,容量220KW,循環(huán)水泵90KW，用電設備安裝采取相應的啟動方式進行啟動,安裝漏電保護器。

1.4 通訊與信號

   地面通訊采用對講機進行通訊,地面與井下的通訊采用“打點”的方法進行聯(lián)系（接鉆頭時）。

1.5 井口臨時設施

   首先進行鉆機混凝土基礎施工、循環(huán)池和清水冷卻池,三者上表面為同一標高,由水溝連接。

1.6 施工設備的選擇導井技術(shù)參數(shù)的確定

    工程本身已確定了鉆孔深度和傾角，現(xiàn)在要確定導井直徑，也就是反井鉆機擴孔直徑，導井的作用是溜渣、排水、通風、要有足夠的斷面，保證擴挖時不致堵塞。導井直徑過小，除了容易堵塞外，還增加了擴挖時打眼和出渣工作量，降低了擴挖速度。導井直徑過大，成本大大增加。因此，導井斷面選擇必須合理。根據(jù)以往的經(jīng)驗，堅硬巖石導井斷面要適當增大，較軟的巖石可適當減少。

1.6.1 破巖刀具的選擇

    破巖刀具包括導孔鉆頭和擴孔滾刀。對于導孔鉆頭一般按生產(chǎn)廠家推薦的適用范圍選擇，但由于反井鉆機施工，最好中間不進行導孔鉆頭的更換，所以選導孔鉆頭時應選擇適用于高于所鉆地層硬度的鉆頭。對于擴孔鉆頭，選擇滾刀時，主要根據(jù)巖石的硬度、磨蝕性來確定滾刀的齒形和布置。反井鉆機一般采用碳化鎢鑲齒盤型結(jié)構(gòu)，選擇如下： 

     巖石的磨蝕性：低   →    中    →    高

     硬        度：軟   →   中硬   →   堅硬     

     齒        形：楔形 → 錐形 → 復合型 → 球形

     滾 刀 結(jié) 構(gòu)：多刃盤形 → 多刃盤形 → 無盤布置

1.6.2 反井鉆機的選擇

     首先根據(jù)鉆孔深度鉆孔直徑，初步選擇相應的反井鉆機，然后對鉆機的主要技術(shù)參數(shù)進行驗算：

      提升力=動力頭重量+擴孔鉆頭重量+鉆桿重量+鉆壓

      扭矩=破巖阻力矩+摩擦阻力

     轉(zhuǎn)速根據(jù)鉆頭類型、直徑以及滾刀結(jié)構(gòu)確定。一般要求提升力不超過鉆機設計最大提升力的60%，扭矩不超過設計最大扭矩的70%。

1.6.3 鉆機輔助設備的確定

    反井鉆機的主要輔助設備是泵，泵作為導孔鉆進時進行洗井液循環(huán)。根據(jù)不同的地質(zhì)條件，洗井液可采用泥漿或清水，泥漿作洗井液時除了有將巖屑帶到孔外的作用，還對地層有一定的支護作用。用清水鉆進時一般可用離心泵，用泥漿鉆進時必須采用柱塞式泥漿泵，泵的排量和泵壓必須滿以下兩式：

  泵壓 P[_D]=kH+Pp

其中：V─鉆桿和孔壁之間洗井液的最低流速，對于清水1.0～1.5m/s，對于泥漿0.6～1.0m/s

  dp─導孔鉆頭直徑

  dr─鉆桿外徑

  k─系數(shù)

  H─孔滌

  Pp─管路壓力損失

1.6.4鉆井工藝確定

根據(jù)豎井的用途和該井所穿過的地質(zhì)條件，充分考慮到該井施工難度，為此，根據(jù)以往在同類地層中的施工經(jīng)驗，選擇BMC-300型反井鉆機施工，該鉆機主要技術(shù)參數(shù)為：導孔直徑：216mm、擴孔直徑：1.4－1.52m、設計鉆孔深度：250-300m、鉆機最大扭矩：64kN•m、鉆機拉力：1250kN、鉆機推力：550kN、鉆桿直徑：176mm、鉆機功率：128.5KW（不包括輔助設備）。

①、提升力驗算（計算法）

總重量＝動力頭重量＋180根Φ203mm重量＋擴孔鉆頭重量＋擴孔鉆壓

＝50＋180＊2＋15＋38＊15

＝895kN<1250 kN（鉆機提升力）

②、扭矩驗算（工程類比法）

T∝f（K，D，Kr，P，Kf)

K-與鉆頭結(jié)構(gòu)類型相關(guān)的系數(shù)

D-鉆孔直徑

Kr-巖石的可鉆性系數(shù)

P-鉆壓

Kf-摩擦損失系數(shù)

采用工程類比的方法進行驗算，對比工程為溪洛渡反井鉆井工程。

①與鉆頭結(jié)構(gòu)類型相關(guān)的系數(shù)K 選用相同結(jié)構(gòu)的鉆頭  K溪洛渡＝K終南山

②鉆孔直徑D   溪洛渡為1.4m  終南山為1.4m   D溪洛渡=D終南山

③巖石的可鉆性系數(shù)Kr    溪洛渡為玄武巖  終南山為混合片麻巖

Kr溪洛渡≌Kr終南山    

④鉆壓P 溪洛渡為470 kN   終南山為470 kN   P溪洛渡＝P終南山

⑤摩擦損失系數(shù)Kf  二者均為豎井，溪洛渡深度200m  終南山深度170m,  Kf 溪洛渡> Kf終南山

綜合評價：T 溪洛渡> T終南山

BMC－300型反井鉆機在溪洛渡反井鉆井工程中取得了良好的成績，沒有反映出鉆機扭矩不足的問題，因此該鉆機應用在終南山反井施工中，是能夠滿足施工需要的。

2 工藝流程

BMC－300型鉆機，其工作原理為，液壓馬達驅(qū)動水龍頭，將扭矩傳遞給鉆具系統(tǒng)，帶動鉆具旋轉(zhuǎn)，破巖采用鑲齒盤形滾刀，滾刀在鉆壓作用下沿井底滾動，從而對巖石產(chǎn)生沖擊，擠壓和剪切作用，使其破碎。導孔時巖屑沿鉆桿與孔壁間的環(huán)形空間由洗井液提升到水平，擴孔時巖屑靠自重落到水平豎井井筒施工采用ＢＭＣ-300型反井鉆機進行反導井施工，然后進行擴挖。

其工藝流程為：測量放樣→鉆機就位→導孔鉆進→擴孔施工→擴挖→出渣

2.1 測量放樣

由測量工程師測好豎井中心位置，做好標記。

2.2 鉆機就位

ＢＭＣ -300型反井鉆機運至工地后用吊車放至井內(nèi)1110米高程位置，平整地面，鉆機基礎采用Ｃ20混凝土，厚度100㎝，尺寸位置以鉆井中心定位，在施工中確保鉆機的地腳螺栓孔位的準確。

2.3 反井鉆機導孔開孔方案

本孔設計采用7根穩(wěn)定鉆桿，加在如下位置：

第一根：小鉆頭異形接頭

第二根：短節(jié)。3為普通鉆桿。

第四根：短節(jié)。5、6、7為普通鉆桿。

第八根：穩(wěn)定鉆桿。9、10、11、12、13

第十四根：穩(wěn)定鉆桿。15、16、17、18、19、20、21為普通鉆桿。

第二十二根：穩(wěn)定鉆桿。23、24、25、26、27、28、29為普通鉆桿。

第三十根：穩(wěn)定鉆桿。31、32、33、34、35、36、37、38為普通鉆桿。

第三十九根：穩(wěn)定鉆桿（此時鉆具重約6噸）。

（1）開孔時7根穩(wěn)定鉆桿全部用上。

（2）依據(jù)地質(zhì)資料，在前20米要進行灌漿處理，鉆完7米后，將鉆桿提出，按照每2根普通鉆桿加1根穩(wěn)定鉆桿的密度進行前20米的鉆孔（第一根穩(wěn)定鉆桿后加1根普通鉆桿，其他相隔2根），

（3）經(jīng)常檢查鉆桿的絲扣，和接頭體的絲扣，發(fā)現(xiàn)問題及時解決并上報。對于有問題的鉆桿要采用分次上緊的方法進行上緊。

2.4 導孔鉆進

   開始鉆進時，轉(zhuǎn)速選用35r/min。鉆壓控制在8～10MPa，導孔洗井液排渣采用正循環(huán)，每鉆完一根鉆桿認真洗井1～2 min，隨著鉆井深度加大，適當延長沖洗時間，以避免發(fā)生抱鉆、堵鉆事故。為有效控制偏斜率，鉆進中使用穩(wěn)定器。穩(wěn)定器在短接鉆桿后就要用一根，按開孔方案進行。

2.5 導井擴孔  

   在井底風道內(nèi)卸下φ216mm的鉆頭，換上φ1400㎜的擴孔鉆頭，自下向上將φ216mm的導孔擴大為φ1400㎜的導井。

將馬達至并聯(lián)狀態(tài)（即主軸轉(zhuǎn)速15r/min），打開閥門供水，即可開始擴孔。在擴孔前應將孔周圍直徑范圍以內(nèi)的巖面找平。

   開始擴孔及終孔時宜采用低壓慢速提鉆，主泵壓力在4～7MPa，副泵壓力在6～8MPa；當擴孔器完全進入巖層后即可進行正常擴孔。根據(jù)巖石軟硬，主泵和副泵的壓力在10～18 MPa范圍內(nèi)匹配。擴孔中在刀刃接觸巖面時，嚴禁使馬達反轉(zhuǎn)。發(fā)生卡鉆時，應立即反向推進，使刀刃脫離巖面。不論鉆導孔和擴孔，均應先開水，后開鉆；先停鉆，后停水。鉆進必須連續(xù)供水，不得中斷。導井擴挖結(jié)束后，進行拆機, 先將擴孔鉆頭卡固在鋼軌上、拆掉鉆機的前后拉桿和各種油管,拆掉鉆架主機車和一些輔助 設備。將擴孔鉆頭吊牢再拆除軌道,然后將操作車吊下來,拆下泵車和油箱冷卻器運至地面。

鉆孔施工的基本參數(shù)

 

序號	施工工序	轉(zhuǎn)速（r/min）	鉆壓（KN）	扭矩（㎏/m）
1	216㎜導孔	15－40	50－60	20－30
2	1400㎜擴孔	10－16	380－470	50－60

2.6 鉆機的拆除

   擴孔施工完畢后,在上部把ø1400㎜鉆頭卸掉,封好鉆孔。然后開始拆除卸機,卸機時全面做好安全工作,防止大型設備、配件、人員等掉到孔內(nèi),鉆機移開鉆孔后,立即做好鉆孔的防護工作,作好安全警示標志。

鉆機施工主要設備見下表：

序號	名稱	型號	數(shù)量
1	鉆機	BMC-300	1臺套
2	鉆桿	Ø176㎜	200根
3	穩(wěn)定鉆桿	ø205㎜	15根
4	擴孔鉆頭	Ø1400㎜	1只
5	滾刀	單配	1只
6	油泵	40SCY14-1B	2臺
7	馬達	2QMJ42/2.5	2臺

3 圍巖破碎帶的施工

    豎井埋深較淺，井口段15范圍內(nèi)的圍巖較破碎，在導孔鉆進過程中出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，影響鉆進正常鉆進，根據(jù)以往施工經(jīng)驗，采取灌注水泥漿液法對井筒進行護壁，待達到一定強度后，進行二次導孔鉆進。塌孔段經(jīng)過處理，鉆進過程正常。

4 反井鉆進過程的偏斜控制

4.1 鉆桿軸向載荷造成的偏斜

    在垂直的導向孔鉆進中，鉆孔開孔時鉆桿不會彎曲，因此不會出現(xiàn)因鉆壓引起的鉆頭偏轉(zhuǎn)，但偏斜的可能性依然存在，隨著鉆壓的增加，鉆桿就會逐漸彎曲，由彎曲鉆桿產(chǎn)生的非垂直載荷實際上導致了鉆進方向角度的變化，此時，鉆具的下部，即從彎曲點到鉆頭，已偏離了鉆孔的預定路線。

作用于斜孔的鉆具載荷按受力性質(zhì)可分成垂直分力和水平分力。垂直分力使鉆頭沿垂直方向或沿傾斜方向向下鉆進；而水平分力使鉆頭沿水平方向或沿傾斜方向向上鉆進。由于鉆桿的直徑比導孔直徑小，在斜孔中，鉆桿的重量將使鉆桿朝著導孔低側(cè)方面垂落。在給鉆桿施加軸向載荷時，作用于鉆桿上的推進力會使鉆桿產(chǎn)生一定程度的彎曲，彎曲的鉆桿順著垂落的方向移動，而穩(wěn)定器起支點作用，其結(jié)果使鉆頭沿傾斜上部鉆進。

4.2 巖層對鉆頭的反作用造成的偏斜

    在無層理、節(jié)理或斷層的堅硬而均質(zhì)巖層中鉆鑿導孔時，因巖層反作用造成的導孔偏斜較少發(fā)生，即使發(fā)生，其偏移量也是極小的。但巖石硬度的變化則會引起導孔偏斜。鉆頭鉆進的方向在很大程度上取決于鉆頭與硬度變化的巖石表面相遇時的角度，如果角度小，鉆頭一般朝著與變化的巖石平面平行的方向鉆進，如果角度大，鉆孔的偏斜將趨向與變化的巖石平面成垂直的方向發(fā)展。

4.3 鉆孔精度的影響因素及預防措施

4.3.1導孔鉆頭的選型

    軟巖鉆頭采用較小夾角的長楔齒，或碳化鎢一字形鑲齒。硬巖鉆頭則采用較大夾角的短楔齒，或碳化鎢半球形鑲齒。在低鉆壓下能夠獲得最大的鉆進速度。

4.3.2 鉆壓

    提高鉆孔精度，應采用低于最佳鉆進速度的低鉆壓鉆進。

選擇導孔鉆頭的鉆壓，通常可參考鉆鑿相同或相似地層的鉆井參數(shù)來確定。當沒有這種經(jīng)驗時，可參考鉆頭制造廠家提供的鉆頭產(chǎn)品樣本介紹。由于低鉆壓能有效的減小鉆孔偏斜，因此，建議采用廠家規(guī)定的最低鉆壓值作為開孔鉆壓。

4.3.3 轉(zhuǎn)速

    在鉆進導向孔時，保持恒定的鉆進速度是控制偏斜最常用的方法。 

4.3.4 鉆井洗井液

    實際鉆進情況統(tǒng)計表明，沉積在孔底0.5～5mm厚的鉆屑可將鉆進速度降低40％左右。高效鉆進的一個基本要求是需要對孔底鉆屑進行有效的清理。

4.3.5 穩(wěn)定器

    穩(wěn)定器是避免鉆孔偏斜最有效的工具。穩(wěn)定器一般被設計為六棱或八棱形，通常將兩個或更多的穩(wěn)定器聯(lián)在一起使用，以便在鉆孔底部形成一段剛性的，與孔壁多處接觸的鉆具組，以防止偏斜。在本豎井鉆進時，普通鉆桿直徑175mm，穩(wěn)定鉆桿直徑200㎜。

4.3.6 巖層特性

    掌握巖層特性，有助于確定最合適的鉆頭。 在制訂導孔鉆進工藝時，應該考慮所鉆巖層的特性，收集并掌握所鉆地區(qū)的詳細地勘材料以及附近施工獲得的地質(zhì)資料都有助于鉆井工藝措施的正確制定，避免發(fā)生意外。

4.4 偏斜測量與糾偏

    根據(jù)鉆孔深度、巖石地質(zhì)條件和對鉆孔精度要求等不同條件，可選用鐘表、磁性和陀螺測斜儀進行測井。

    如果發(fā)現(xiàn)井孔超偏，必須停止正常鉆進，對鉆孔進行糾偏處理。鉆孔糾偏的方法很多，采用何鐘方法，必須視鉆孔的具體情況而定，一般來說，最常用的有如下幾種：

如果鉆孔偏斜程度和方向非常有規(guī)律，有時可采取偏置鉆機的方法來糾正預計的偏斜。移動鉆機的距離和方向可根據(jù)本地以前施工獲得的經(jīng)驗而定。    

可以采用堵塞偏孔，重新鉆孔的方法解決偏斜。堵塞鉆孔指用純水泥漿將變向點至孔底一段進行充填，并使之凝固。

5 應用情況

    秦嶺終南山公路隧道是目前我國最長、世界上排名第二的特長公路隧道，共設計三座運營通風豎井，深度分別為1＃豎井190.3m、2＃豎井661m、3＃豎井392m, 1#豎井采用反井鉆機施工，地質(zhì)構(gòu)造主要為混合片麻巖，飽和抗壓強度98.2－161.3MPa,巖石堅硬，受構(gòu)造影響嚴重，節(jié)理發(fā)育，圍巖類別以Ⅳ、Ⅴ類為主。經(jīng)統(tǒng)計，導孔鉆進20m/d,擴孔鉆進12m/d。

    經(jīng)測設,鉆孔深度174m,實測鉆孔偏斜率0.34%。小于要求的1%。

該工程引進反井鉆機施工很大程度上減少施工難度、降低危險性，大大提高工作效率，減少開挖成本，及時解決洞內(nèi)通風問題，創(chuàng)造良好的施工條件，加快工程進度。該技術(shù)成井速度快，施工安全性能好，在中硬巖、軟巖中特別適用，為今后在公路隧道、鐵路隧道豎井工程中推廣打下良好基礎以及其它工程建設中的反井施工積累了經(jīng)驗，對深豎井、長斜井施工技術(shù)研究具有重要意義。

參考文獻 

[1] 簡明建井工程手冊  

[2] 反井鉆機技術(shù)與地下工程開發(fā)